干燥机底盘结构参数与物料运行规律研究.doc

干燥机底盘结构参数与物料运行规律研究* 张振伟 李学兵 王学平 朱艳敏摘要：通过对立式多层水平圆振动干燥机机体的动力学分析和物料的运动学分析，推导出振动底盘的结构参数和物料运行规律之间的关系,得出扭转方向位移与挂板间距参数为线性递增的关系；物料颗粒在干燥机内运行一周所用的时间随激振电机安装角度的增大而减少。通过实验验证，计算结果与实测基本一致。关键词：干燥机 结构参数 力分析 抛掷运动中图分类号：TQ021；TQ021.5 文献标识码 ：AResearch on Relationship Between Structure Parameters of Batholith and Materiel Movement Orderliness Zhang Zhenwei1 Li Xuebing1 Wang Xueping2 Zhu Yanmin1(1. Northeastern University 2.Shenyang Institute of Chemical Technology)AbstractThe article was deduced between the structure parameters of vibrating batholith and the in the standing drier by the analysis of dynamics and kinematics, and it was found that displacement from torsion will increase linearly by degrees with the increasing distance between two planks. Also the time of the materiel finishing a circle would be reduced with increasing of the angle between two vibrating motors. In the end the results was proved by experiment.Key words drier structure parameters force analysis chucked movement引言立式多层水平圆振动干燥机的工作原理：载湿体即热空气穿过孔板和物料，将热量传给物料，同时空气被物料冷却，湿分由物料传入空气，逐层重复，最后尾气排空，物料被干燥。干燥效果受到许多因素的影响，例如干燥介质、振动参数、物料特性等，干燥工艺的设计和参数的选择是否合理将严重影响产品质量。长期以来，我国干燥理论的基础研究比较薄弱，对干燥设备工艺的设计主要凭借设计者的经验，或者只做些简单的热力学计算，对物料参数与设备结构之间的关系研究较少。本文针对这一情况，推导出振动底盘结构参数与物料运行规律之间的关系，为振动底盘的结构参数设计提供理论依据12。1.干燥机的动力学分析收稿日期: 2006-9-6*辽宁省教育厅 高等学校科学研究项目 青年基金（项目编号：05L341）张振伟，东北大学机械工程及自动化学院 教师 副教授，110004 沈阳市 李学兵，东北大学机械工程及自动化学院 硕士生 王学平，沈阳化工学院机械工程学院 讲师，110142 朱艳敏，东北大学机械工程及自动化学院 硕士生振动电机和干燥机连在一起，设为刚性质体系统3,4,5，干燥机机体的受力情况如图1所示。左右2振动电机的轴线均与水平面成夹角，方向相反，偏心块初始位置(初相位)为图中方向。每一个振动电机偏心块旋转产生惯性力激振力 ，当偏心块旋转至相位角时，分解为在初相位方向上的和两振动电机轴线中点连线上的，则有，在电机轴线所在铅垂面内，分解成铅锤方向的和水平方向的：，式中 振动电机轴线与水平面的夹角，（0）。2振动电机同步反向旋转，由图1可见，其相互抵消，叠加为，构成力矩：， 式中 2振动电机轴线间距离。图1. 双轴交叉式激振电机受力图Fig.1 The cross style vibrator of two axes11：水平线 22：左电机轴线 33：右电机轴线 44：两电机中点连线当2振动电机做等速反向旋转时，作用于干燥机上的2振动电机激振力合成的结果为：沿铅垂方向的激振力和绕铅垂方向的激振力矩，激发铅垂方向的直线振动和绕干燥机轴线的扭转振动。在满足同步条件下，该类振动机简化为二自由度的振动系统，设初相=0。根据立式多层水平圆振动干燥机的特点，将干燥机简化成如图2所示的力学模型。则此干燥机的振动方程为 （1）式中振动机体的质量（包括振动电机质量），（）。图2。干燥机的力学模型Fig.2 The mechanics model of the drier振动机体（包括振动电机质量）对z轴的转动 惯量，（）。，振动机体沿z轴方向和沿方向的当量阻尼系数，（无量纲）。，z轴方向的弹簧刚度及方向的弹簧刚度，（）。 ，振动机体在z方向的位移、速度和加速度，（、）。 ，振动机体绕z轴转动的角位移、角速度和角加速度，（、）。 激振器转动角速度，（）。干燥机沿垂直方向的自由振动方程为 其通解 （2）式中 自由振动的振幅，（）。固有频率，（）。初相角，（0）。由式（2）得出 则 ，即 频率比为 （3）由于阻尼的存在，自由振动在机器正常工作时将会消失，所以对工作有意义的是受迫振动，系统按与激振力相同的频率作受迫振动，因此下面只考虑振动机体的稳态振动。式（1）方程的稳态解有以下形式 式中 振动机体z轴方向的振幅，（）。振动机体方向的振动幅角，（）。，激振力和激振力矩对其相应位移的相位差角，（）。将式（2）及其二次导数代入式（1）中，可得出振幅、振动幅角、相位差角和。， （4）此种振动干燥机通常在远超共振的状态下工作，通常取=45，由式（3）得，另弹簧变形时的横向内阻力及空气和物料等的外阻力亦可忽略不计，即，则式（4）可写成，（5）把垂直振动与扭转振动合成，可得复合振动的振幅为 其中 工作面的平均半径。其他符号同前。其振动角为2.机体内孔板上物料的运动分析振动水平圆干燥机的运动是由铅锤方向的直线振动和绕中心轴线的扭转振动合成的，是作斜向扭转振动；结合实验观察，由于往返振动振幅相当微小，所以对干燥机的某质点来说，可近似地认为是该点在所属圆柱面之切面内作往复斜向直线振动。当机体以不同的振幅作连续振动时，孔板上的物料颗粒可能出现滑动和抛掷运动等不同的运动状态 6。下面就抛掷运动的理论加以研究7。图3. 物料颗粒在机体中的受力Fig.3 The forces acted on grain机体斜向直线振动的主要参数：为振动频率（与电机振动频率同），为复合振幅，为振动角（等于振动方向角）。将物料层进行简化，取当量直径为的单一颗粒进行研究，则物料颗粒在孔板上的受力情况如图3所示。根据达朗伯原理，此时的物料颗粒在7个力作用下平衡，其中为物料颗粒所受的重力，且，为物料颗粒的质量； 为孔板的法向反力；为孔板对物料颗粒的摩擦力，用摩擦角表示时，摩擦系数；为物料颗粒在扭转方向的相对运动惯性力，且；为物料颗粒在铅锤方向的相对运动惯性力，且；为质量的物料颗粒受到工作面的斜向直线振动的惯性力，且；为风对物料颗粒的曳力2，。式中,为物料颗粒承风面积，为空气密度，为风速，为物料颗粒竖直向上方向的平均运动速度，为物料颗粒与气流间的阻力系数，查干燥手册表与Re的关系，可取0.44，取风速，其值远大于，故： 要使物料颗粒在振动干燥机中呈现抛掷运动，必须满足8：物料颗粒开始抛掷的瞬时，,其振动相位角（称为抛始角）。 （6） 出现抛掷运动后，在铅锤方向的运动方程为式中 物料在铅锤方向对孔板的相对加速度。求出：抛掷运动终了，即，时，为抛止角，代入上式得 （7）物料被抛起以后，此时，则水平面内的扭振方向的运动方程为可得到物料作一次抛掷运动时在扭转方向上相对孔板的位移 （8）将圆周看成是多条直线段的拟合，则物料颗粒在干燥机内运行一周所用的时间可近似地认为 （9）3.实验数据验证1、干燥机型号： DZG22型立式多层水平圆振动干燥机；干燥机体直径；颗粒工作面平均半径m激振电机型号：河南新乡滨河振动电机厂JZO系列JZO-30-6型号电机；电机功率2.2kw；振频次/分，则；激振力；取电机安装夹角（），电机两挂板间距mm；物料颗粒：取直径的分子筛（干燥剂）物料；物料的密度；作用于物料的风速；热空气的近似密度。图4 干燥实验装置示意图1.鼓风机 2. 热风炉 3.隔振弹簧 4. 振动电机 5.立式水平圆振动干燥机 6. 旋风分离器7. 引风机 Fig.4 The process figure of drying experiment system1.Blower 2.Hot-blast furnace 3.Damping springs 4. Vibrators 5.Vibrated dryer 6.Cyclone segregator 7. Inhaler 实验流程如图4所示，启动干燥机，经热风炉加热的热空气进入干燥机，先对机体进行预热，当机体内的温度达到的温度要求后，从进料斗开始加料，物料在水平孔板表面作斜向上的近似抛物线运动，热气流从内筒体上分布的小孔进入干燥段中，穿过孔板及料层，气流不断逐层上升，与振动中的物料相接触，实现质热传递，达到对流干燥的目的，被干燥的物料颗粒运动到干燥机最底层，由出料口产出产品，废气经旋风分离器回收粉尘后排入大气。振动方向振动方向图.5 振幅的测定Fig.5 The measure of swing2.振幅和颗粒运行时间的测定。振幅的测定是通过在干燥机上的合适位置固定（如图5）的振幅牌来实现的。它是由一排直径为16mm的圆环构成的，振动时圆环会出现如图5所示的三种情况：两圆相离、相切、相交，其中，相切的两圆所测得的直径值便是主机对应的振幅值。物料颗粒在干燥机内运行一周所用的时间可用秒表来测定，通过观察孔观察物料开始抛掷到抵达下一层，计量出时间。3.数据计算。利用UG软件建立干燥机体的模型，得到总质量（包括2振动电机）；机体转动惯量： 9，利用Matlab软件来计算各个数值。1) 振幅（时）：，在处扭转振幅；在处复合振幅，与实验所得结果单向复合振幅为12吻合。2) 抛始角： 3) 抛止角计算方程： 代入数值后，利用matlab软件做出曲线如图4 所示，可近似得出 时，。4) 物料颗粒一次抛掷运动在扭转方向上对孔板的相对位移：。 5）物料颗粒在干燥机内运行一周所用的时间：s,与实验中所测到的结果s基本吻合。图5 曲线Fig.5 The curve of 2、调整参数，将电机安装夹角换成（电机轴线与水平面夹角最大时），其余同步骤1、，2、，3、可求得：，孔板上在处复合振幅；算出物料一次抛掷运动在扭方向上对孔板的相对位移和物料颗粒在干燥机内运动一周所用的时间s，这与实验所得结果单向复合振幅为12吻合，与实验测得的时间s基本一致。3、调整参数，求取电机安装夹角的范围，又由于物料上抛条件应满足：，其余参数同步骤1、，2、，3、则算出安装夹角，取此时可求得：，孔板内筒和外筒正中间即在处复合振幅；可算出物料每次抛掷运动在扭转方向上对孔板的相对位移和物料颗粒在干燥机内运动一周所用的时间s，这与实验所得结果单向复合振幅为12吻合，与实验测得的时间s基本一致。理论结合实验可得出：扭转方向的位移与参数可近似地看成是一种线性递增的关系；当其他量不变时，位移随安装夹角的增多而增大（）。4结论通过干燥机动力学和物料运动规律的分析，得出立式多层水平圆振动干燥机的结构参数与物料运行规律的关系：扭转方向的位移与挂板间距成线性递增的规律，物料颗粒的位移随振动电机安装角度增大而增大；在单层孔板上运行的时间随安装角度的增大而减少。参考文献1 A.A. Hayaloglu , I. Karabulut, M. Alpaslan and G. Kelbaliyev. Mathematical modeling of drying characteristics of strained yoghurt in a convective type tray-dryerJ. Journal of Food Engineering ,Volume 78, Issue 1 , January 2007, Pages 109-117. 2 C.G.J. Baker , A.R. Khan1, Y.I. Ali, K. Damyar. .Simulation of plug flow fluidized bed dryersJ. Chemical Engineering and Processing 45 (2006) ,pages 641651.3 丁应生.螺旋振动干燥机及其振动参数设计J.武汉工业学院学报,2001，28(5)： 68.4 闻邦椿 刘树英,张纯宇. 机械振动学M.北京：冶金工业出版社,2000,